CN114744753A - 基于数字孪生技术的电能质量装置、系统及监控方法 - Google Patents

基于数字孪生技术的电能质量装置、系统及监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于数字孪生技术的电能质量装置、系统及监控方法，电能质量装置包括：一个系统基础层，用于获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据；一个逻辑层，用于对所述采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据；一个显示层，用于根据所述电能质量数据显示信息。这样通过一台电能质量装置就能够实现对多个一次侧物理设备的电能质量的监控，成本较低。

Description

基于数字孪生技术的电能质量装置、系统及监控方法
技术领域
本发明涉及电力系统领域，特别是一种基于数字孪生技术的电能质量装置、系统及监控方法。
背景技术
电能质量(Power Quality)是电力系统中电能的质量，衡量电能质量的主要指标有电力设备的电压、频率和波形。电能质量不仅关系到电网企业的安全经济运行，也影响到用户的安全运行和产品质量。
现有技术中，电能质量装置需要获取电力系统正在运行的各电力设备的一次侧数据，并进行分析，以进行实时监测。现有的一个电能质量装置通过物理连接方式连接至一个电力设备，如果需要监控多台电力设备，则需要多台电能质量装置，并进行大量布线，成本很高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于数字孪生技术的电能质量装置，包括：
一个系统基础层，用于获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据；
一个逻辑层，用于对所述采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据；
一个显示层，用于根据所述电能质量数据显示信息。
根据如上所述的电能质量装置，可选地，所述系统基础层包括：
一个底层协议栈，用于获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据，并将所述采样数据发送至所述逻辑层；
一个操作系统封装单元，用于对一个操作系统进行封装，并提供一个封装接口，所述封装接口用于所述电能质量装置与所述操作系统之间的交互。
根据如上所述的电能质量装置，可选地，所述逻辑层包括：
一个逻辑层协议栈，用于接收所述系统基础层发送的所述采样数据；
一个采样单元，用于对所述逻辑层协议栈发送的所述采样数据进行处理，生成处理数据；
一个测量计算单元，用于对所述处理数据进行计算，生成所述物理设备对应的电能质量数据；
一个数据管理单元，用于管理所述电能质量数据。
根据如上所述的电能质量装置，可选地，所述逻辑层还包括以下单元中的至少一个：
一个电能质量功能单元，用于对所述电能质量数据进行统计或报告；
一个记录单元，用于将所述电能质量数据存储至一个外存中；
一个参数设置单元，用于对所述电能质量装置的参数进行设置；
一个告警单元，用于根据所述电能质量数据发出报警。
根据如上所述的电能质量装置，可选地，所述系统基础层基于MQTT协议或者IEC6185-9-2协议接收所述采样数据。
根据如上所述的电能质量装置，可选地，所述采样数据是原始的采样数据经过压缩之后的数据。
本发明还提供一种基于数字孪生技术的系统，包括如上任一项所述的基于数字孪生技术的电能质量装置。
根据如上所述的系统，可选地，还包括所述代理服务器。
根据如上所述的系统，可选地，还包括所述物理设备。
根据如上所述的系统，可选地，所述物理设备为多个。
根据如上所述的系统，可选地，还包括：一个信息采集器，所述信息采集器位于所述物理设备和所述代理服务器之间，所述数据收集器用于采集所述物理设备的数据，并发送至所述代理服务器。
本发明再提供一种基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法，包括：
获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据；
对所述采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据；
根据所述电能质量数据显示信息。
根据如上所述的监控方法，可选地，获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据包括：
获取一个代理服务器发送的通过一个信息采集器采集到的至少一个一次侧物理设备的采样数据。
根据如上所述的监控方法，可选地，获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据包括：
基于MQTT协议或者IEC6185-9-2协议获取所述代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据。
根据如上所述的监控方法，可选地，其特征在于，所述采样数据是原始的采样数据经过压缩之后的数据。
本发明又提供一种基于数字孪生技术的电能质量装置，包括：
至少一个存储器，其用于存储指令；
至少一个处理器，其用于根据所述存储器存储的指令执行根据如上任一项所述的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法。
本发明再提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有机器可读指令，所述机器可读指令当被一个机器执行时，所述机器执行根据如上任一项所述的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法。
根据本实施例，基于数字孪生技术的电能质量装置能够通过代理服务器来接收一次侧的物理设备的采样数据，该电能质量装置无需与各物理设备直接物理连接就能够获取所需要的数据，而网络的传输方式也适用于获取不同物理设备的采样数据，这样通过一台电能质量装置就能够实现对多个一次侧物理设备的电能质量的监控，成本较低。此外，本实施例的电能质量装置可以设置在不同的平台上，不受物理实体的限制，大大增强了可应用性。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为根据本发明一实施例的基于数字孪生技术的电能质量装置的结构示意图。
图2为根据本发明另一实施例的基于数字孪生技术的电能质量系统的结构示意图。
图3为根据本发明再一实施例的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法的流程示意图。
其中，附图标记如下：
1-电能质量装置
11-系统基础层
111-底层协议栈
112-操作系统封装单元
12-逻辑层
121-逻辑层协议栈
122-采样单元
123-测量计算单元
124-数据管理单元
125-电能质量功能更单元
126-记录单元
127-参数设置单元
128-告警单元
13-显示层
2-代理服务器
3-物理设备
4-信息采集器
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
数字孪生技术是集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的物理实体的全生命周期过程。即，数字孪生技术是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程。数字孪生体是指在计算机虚拟空间存在的与物理实体完全等价的信息模型，可以基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化。
基于此，发明人提出了一种基于数字孪生技术的电能质量装置，该基于数字孪生技术的电能质量装置就是一种数字孪生体，其模拟了现实中的真实存在的电能质量装置。
实施例一
本实施例提供一种基于数字孪生技术的电能质量装置。该电能质量装置用于实现对物理设备的电能质量的监控。
如图1和图2所示，该电能质量装置1包括一个系统基础(System Base)层11、一个逻辑层(Logical Layer)12和一个显示层(UI Layer)13。该电能质量装置具体可以实现在一台PC电脑上，也可以在云端实现，还可以根据实际需要选择其它实现的方式，在此不再赘述。
其中，系统基础层11用于获取代理服务器2传输的至少一个一次侧物理设备3的采样数据。该一次侧物理设备3例如为发电机、断路器、隔离开关、互感器、变压器、电力电缆等。更为具体地，该系统基础层11可以主动从代理服务器2中获取所需要的采样数据，代理服务器2也可以主动向系统基础层11发送其所需要的采样数据。此外，图2中示出了一台代理服务器2的情况，实际上该电能质量装置11还可以与多台服务器2进行通信，在此不再赘述。
代理服务器2能够获取一个或多个一次侧物理设备3的采样数据。这里的采样数据可以是电压数据或者电流数据。具体地，该代理服务器2是网络信息的中转站，其可以将本实施例的电能质量装置1所需要的信息发送至该电能质量装置1处。如图2所示，本实施例的物理设备3如果是能够直接与网络通信的智能设备，那么其可以直接将自身的采样数据发送至代理服务器2；如果物理设备3是不能与网络进行通信的设备，那么可以在物理设备3与代理服务器2之间设置一个信息采集器4，该信息采集器4采集物理设备3的数据，并将该采样数据发送至代理服务器2。采用代理服务器2的好处在于能够实现分布式数据的采集，即各物理设备3可以位于不同的物理位置或者是物理设备3可以是不同的实体设备，这样能够获取多方面的采样数据供后续的数据处理，进而可以进行更加复杂的计算，以得到更加精确的结果。此外，各物理设备3与代理服务器2之间可以通过网络进行数据传输，这样可以无需大量的实体布线，而且能够实现远距离传输数据。
逻辑层12用于对采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据。作为一个示例性说明，逻辑层12可以对接收到的采样数据进行预处理，例如滤波、校准等等，然后对预处理的采样数据进行分析，以根据该采样数据确定相应的物理设备3是否发生故障，或者获取到其它的信息，具体可以根据实际需要选择，在此不再赘述。
显示层13用于根据所述电能质量数据显示信息。例如显示电压的波形、电流的波形、各种功率能量值、电压事件、电能质量报告等等，具体可以根据实际需要设置。该显示层13所展示的信息例如通过PC电脑的显示屏来进行展示。
可选地，系统基础层11能够基于很多种协议与代理服务器2之间进行通信，例如基于MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)协议或者IEC6185-9-2协议接收采样数据。为了进一步减轻网络的负担，系统基础层11接收到的采样数据是经过压缩之后的数据，该压缩操作例如在物理设备3端完成或者在信息采集器4中完成，例如基于MQTT协议来传输数据，可以先将采样数据进行压缩，然后再进行传输，这样能够适应于基于MQTT协议来传输较大数据的情况。对于MQTT协议，其是一种基于发布/订阅(Publish/Subscribe)模式的轻量级通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，属于应用层协议，因此只要是支持TCP/IP协议的地方，都能够支持MQTT协议。具体地，电能质量装置1可以向代理服务器2订阅所需要的采样数据，例如电压采样或者电流采样。一次侧设备将采样数据通过直接的方式或者间接的方式发送至代理服务器2，再由代理服务器2将数字孪生体所需要的采样数据发送至电能质量装置1，电能质量装置1对接收到的采样数据进行处理，并生成电能质量数据。IEC6185-9-2协议的通信通道的采样数据传输形式可以任意组合，便于实现跨间隔的二次功能的采样数据的传输。这两种协议都是现有的协议，具体可以根据实际需要选择。
根据本实施例，基于数字孪生技术的电能质量装置1能够通过代理服务器2来接收一次侧的物理设备3的采样数据，该电能质量装置1无需与各物理设备3直接物理连接就能够获取所需要的数据，而网络的传输方式也适用于获取不同物理设备3的采样数据，这样通过一台电能质量装置1就能够实现对多个一次侧物理设备3的电能质量的监控，成本较低。此外，本实施例的电能质量装置1可以设置在不同的平台上，不受物理实体的限制，大大增强了可应用性。
实施例二
本实施例对实施例一的基于数字孪生技术的电能质量装置1做进一步解释说明。
作为一个示例性说明，如图2所示，本实施例的系统基础层11包括一个底层协议栈111和一个操作系统封装(OS wrapper)单元112。
该底层协议栈111用于获取一个代理服务器2传输的至少一个一次侧物理设备3的采样数据，并将采样数据发送至逻辑层12。作为一个示例性说明，该底层协议栈111可以是TCP/IP协议栈，其能够支持逻辑层12的MQTT协议。当然，该底层协议栈111还可以采用其它的方式实现，具体不再赘述。
操作系统封装单元112用于对一个作系统进行封装，并提供一个封装接口，封装接口用于电能质量装置1与操作系统之间的交互。该操作系统封装单元112的存在，能够屏蔽操作系统，这样能够增强数字孪生体的可移植性。
作为另一个示例性说明，本实施例的逻辑层12包括一个逻辑层12协议、一个采样单元122、一个测量计算单元123和一个数据管理单元124。
其中，逻辑层协议栈121用于接收系统基础层11发送的采样数据。该逻辑协议栈可以是MQTT协议栈或者IEC6185-9-2协议栈。该采样数据可以是预先经过压缩的数据，尤其是对MQTT协议，可以将采样数据预先进行压缩，以适用于基于MQTT协议来进行大数据的传输。
采样单元122用于对逻辑层协议栈121发送的采样进行处理，生成处理数据。该处理一般是对采样数据本身形式上的处理，例如对采样数据进行滤波、校准等等。处理数据可以看作是更加精确的原始数据，以实现最终监控结果的准确性。
测量计算单元123用于对处理数据进行计算，生成相应物理设备对应的电能质量数据。该计算是为了得到所需要的电能质量数据，例如基于电压和/或电流的采样数据计算出所需的电能质量数据。
数据管理单元124用于管理电能质量数据，例如将电能质量数据按照预设的数据结构存储到内存中，或者将电能质量数据映射到一个通信模块，以使得通信模块能够发送电能质量数据。
可选地，该逻辑层12还包括以下单元中的至少一个：一个电能质量功能单元125、一个记录单元126、一个参数设置单元127、一个告警单元128。这些单元都属于一些高级的应用。其中，电能质量功能单元125用于对电能质量数据进行统计或报告，例如对电压事件、示波器的数据进行统计，并将统计结果通过一个通信单元发送至工作人员处，或者按照设定的格式生成相应的报告等等。记录单元126用于将电能质量数据存储至一个外存中，以供后续查看历史数据；参数设置单元127用于对电能质量装置1的参数进行设置，例如工作人员可以根据需要来配置电能质量装置的功能和运行状态；告警单元128可以向工作人员发送告警信息，例如数据管理单元124识别出需要向工作人员发送告警信息，可以通过告警单元128来发送，或者告警单元128从数据管理单元124处获取电能质量数据，经过分析之后确定是否向工作人员发送告警信息。
本实施例提供了基于数字孪生技术的电能质量装置1的具体架构，该架构简洁明了，易于实现。
实施例三
本实施例提供一种基于数字孪生技术的系统，该系统包括前述任意实施例的基于数字孪生技术的电能质量装置1。
如图2所示，可选地，本实施例的基于数字孪生技术的系统还包括代理服务器2。
可选地，本实施例的基于数字孪生技术的系统还包括物理设备3，该物理设备3可以是多个。即，本实施例中的基于数字孪生技术的电能质量装置1可以对多台一次侧物理设备3进行监控，这样大大节省了成本。
下面采用一个具体实例对图2中的基于数字孪生技术的系统做说明。该具体实例中，采用MQTT协议来进行数据的传输。
首先，基于数字孪生技术的电能质量装置1向代理服务器2订阅所需要的多个一次侧物理设备3的数据。代理服务器2基于该订阅，在获取到一次侧物理设备3的数据之后，向电能质量装置1进行传输。
对能够与代理服务器2直接进行通信的物理设备3来说，该物理设备3将采样数据压缩之后，可以直接发送至代理服务器2处；对于不能够与代理服器2进行通信的物理设备3来说，其需要通过一个信息采集器4进行采样，然后信息采集器4将采样数据发送至代理服务器2处。这里的信息采集器4例如为合并单元。
电能质量装置1接收到一次侧物理设备3的采样数据后，可以对滤波，然后对采样数据进行计算，生成电能质量数据，例如确定电压暂降事件的原因，并将相关信息通过显示层13展示出来，还可以将相关信息发送至工作人员处，以供工作人员即使收到该信息。
根据本实施例的基于数字孪生技术的系统，能够通过网络来实现一次侧的物理设备3的采样数据的传输，使得电能质量装置1无需与各物理设备3直接物理连接就能够获取所需要的数据，成本较低。此外，该系统中的电能质量装置1可以设置在不同的平台上，不受物理实体的限制，大大增强了可应用性。
实施例四
本实施例提供一种基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法，该监控方法的执行主体是基于数字孪生技术的电能质量装置，该电能质量装置可以是上述任意实施例中的基于数字孪生技术的电能质量装置，具体执行监控的方法与前述实施例相同。
如图3所示，为根据本实施例的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法的流程示意图。该监控方法包括:
步骤301，获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据。
代理服务器可以通过直接或间接的方式获取到一次侧物理设备的采样数据，并将该采样数据发送至基于数字孪生技术的电能质量装置。例如，该电能质量装置接收一个代理服务器发送的通过一个信息采集器采集到的至少一个一次侧物理设备的采样数据。
各物理设备或信息采集器与代理服务器之间的通信可以基于MQTT协议或者IEC6185-9-2协议。
步骤302，对采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据。
例如对采样数据进行滤波，并根据滤波后的采样数据生成电能质量数据。
步骤303，根据所述电能质量数据显示信息。
例如显示电压波形、电流波形，或者是显示哪个物理设备出现故障等等，具体可以根据实际需要设置。
根据本实施例的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法，能够通过代理服务器来接收一次侧的物理设备的采样数据，该电能质量装置无需与各物理设备直接物理连接就能够获取所需要的数据，而网络的传输方式也适用于获取不同物理设备的采样数据，这样通过一台电能质量装置就能够实现对多个一次侧物理设备的电能质量的监控，成本较低。
本实发明还提供一种基于数字孪生技术的电能质量装置，包括至少一个存储器和至少一个处理器。其中，存储器用于存储指令。处理器用于根据存储器存储的指令执行前述任意实施例所描述的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法。
本发明的实施例还提供一种可读存储介质。该可读存储介质中存储有机器可读指令，机器可读指令当被一个机器执行时，机器执行前述任意实施例所描述的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法。
该可读介质上存储有机器可读指令，该机器可读指令在被处理器执行时，使处理器执行前述的任一种方法。具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的机器可读指令。
在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。
可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。
本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。
需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理实体实现，或者，有些单元可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
以上各实施例中，硬件单元可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元或处理器可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，FPGA或ASIC)来完成相应操作。硬件单元或处理器还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.基于数字孪生技术的电能质量装置，其特征在于，包括：
一个系统基础层，用于获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据；
一个逻辑层，用于对所述采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据；
一个显示层，用于根据所述电能质量数据显示信息。
2.根据权利要求1所述的电能质量装置，其特征在于，所述系统基础层包括：
一个底层协议栈，用于获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据，并将所述采样数据发送至所述逻辑层；
一个操作系统封装单元，用于对一个操作系统进行封装，并提供一个封装接口，所述封装接口用于所述电能质量装置与所述操作系统之间的交互。
3.根据权利要求1所述的电能质量装置，其特征在于，所述逻辑层包括：
一个逻辑层协议栈，用于接收所述系统基础层发送的所述采样数据；
一个采样单元，用于对所述逻辑层协议栈发送的所述采样数据进行处理，生成处理数据；
一个测量计算单元，用于对所述处理数据进行计算，生成所述物理设备对应的电能质量数据；
一个数据管理单元，用于管理所述电能质量数据。
4.根据权利要求3所述的电能质量装置，其特征在于，所述逻辑层还包括以下单元中的至少一个：
一个电能质量功能单元，用于对所述电能质量数据进行统计或报告；
一个记录单元，用于将所述电能质量数据存储至一个外存中；
一个参数设置单元，用于对所述电能质量装置的参数进行设置；
一个告警单元，用于根据所述电能质量数据发出报警。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电能质量装置，其特征在于，所述系统基础层基于MQTT协议或者IEC6185-9-2协议接收所述采样数据。
6.根据权利要求5所述的电能质量装置，其特征在于，所述采样数据是原始的采样数据经过压缩之后的数据。
7.基于数字孪生技术的系统，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的基于数字孪生技术的电能质量装置。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括所述代理服务器。
9.根据权利要求7或8所述的电能质量系统，其特征在于，还包括所述物理设备。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述物理设备为多个。
11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：一个信息采集器，所述信息采集器位于所述物理设备和所述代理服务器之间，所述数据收集器用于采集所述物理设备的数据，并发送至所述代理服务器。
12.基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法，其特征在于，包括：
获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据；
对所述采样数据进行处理，生成所述物理设备对应的电能质量数据；
根据所述电能质量数据显示信息。
13.根据权利要求12所述的监控方法，其特征在于，获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据包括：
获取一个代理服务器发送的通过一个信息采集器采集到的至少一个一次侧物理设备的采样数据。
14.根据权利要求12所述的监控方法，其特征在于，获取一个代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据包括：
基于MQTT协议或者IEC6185-9-2协议获取所述代理服务器传输的至少一个一次侧物理设备的采样数据。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的监控方法，其特征在于，所述采样数据是原始的采样数据经过压缩之后的数据。
16.基于数字孪生技术的电能质量装置，其特征在于，包括：
至少一个存储器，其用于存储指令；
至少一个处理器，其用于根据所述存储器存储的指令执行根据权利要求12-15中任一项所述的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法。
17.可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有机器可读指令，所述机器可读指令当被一个机器执行时，所述机器执行根据权利要求12-15中任一项所述的基于数字孪生技术的电能质量装置的监控方法。
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